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1、海南风光第第15讲讲第10章控制电机 第10章 控制电机 10.1 概述概述10.2 步进电动机步进电动机 10.2.1 结构结构 10.2.2 工作方式工作方式 10.2.3 小步距角的步进电动机小步距角的步进电动机10.3 伺服电动机 10.3.1 交流伺服电动机交流伺服电动机 10.3.2 直流伺服电动机直流伺服电动机 前前面面介介绍绍的的异异步步电电动动机机、直直流流电电动动机机等等都都是是作作为为动动力力使使用用的的，其其主主要要任任务务是是能能量量转转换换，例例如如将将电电能能转换为机械能。本章介绍控制电机。转换为机械能。本章介绍控制电机。 10.1 概述概述如：伺服机将电压信号转
2、换为转矩和转速；如：伺服机将电压信号转换为转矩和转速； 步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。 控制电机的主要功能是转换和传递信号。控制电机的主要功能是转换和传递信号。控制电机的种类很多，本章主要介绍控制电机的种类很多，本章主要介绍步进机、伺服机。步进机、伺服机。 对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。10.2 步进电动机步进电动机机理机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一
3、个转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。动一小段距离。特点特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。改变脉冲顺序，改变方向。种类种类： 有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。上没有励磁线圈。应用：应用： 步进机的应用非常广泛。如：在
4、数控机床、自动步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动 绘图仪等设备中都得到应用。绘图仪等设备中都得到应用。 下下面面以以反反应应式式步步进进电电机机为为例例说说明明步步进进电电机机的的结结构构和和工作原理。工作原理。10.2.1 结构结构 步步进进机机主主要要由由两两部部分分构构成成：定定子子和和转转子子。它它们们均均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。定子定子转子转子定子绕组定子绕组 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。组成一相。 注意：注意：这里的相和三相交流电中的这里的相和三相交
5、流电中的“相相”的概念的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。的联接和组数的区别。ABC定子定子转子转子IAIBIC10.2.2 工作方式工作方式 步进电机的工作方式可分为：步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。双六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍一、三相单三拍（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 （3）
6、工作过程）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，相通电，A 方向的磁方向的磁通经转子形成闭合回路。通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁场的作用下，转子被磁A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA3412CABBCA3412同理，同理，B相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和B相轴线对齐，相相轴线对齐，相对对A相通电位置转
7、相通电位置转30 ；C相通电再转相通电再转30 。1C342CABBA 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30 。此角称为。此角称为步距角，用步距角，用 S表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。改变通电顺序即可改变转向。二、三相单双六拍二、三相单双六拍三相绕组
8、的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。CABBCA3412所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了通电，转子转了15。（1）BB 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。转子顺时针方向转动。A、B相同时通电相同时通电（2）AA 磁场继续对磁场继续对1、3齿有拉力。齿有拉力。CABBCA3412总总之之，每每个个循循环环周周期期，有有六六种种通通电电状状态态，所所以以称称为三
9、相六拍，步距角为为三相六拍，步距角为15 。CABBCA3412B相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和B相对齐，又转了相对齐，又转了15 。三、三相双三拍三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通电通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工工作作方方式式为为三三相相双双三三拍拍时时，每每通通入入一一个个电电脉脉冲冲，转转子子也也是是转转30 ，即，即 S = 30 。
10、CA通电通电CABBCA341210.2.3 小步距角的步进电动机小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为实际采用的步进电机的步距角多为3度和度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子图中转子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极个磁极，但每个磁极上也有五个齿。上也有五个齿。转子的齿距转子的齿距等于等于360 / 40=9 ，齿宽、齿槽各，齿宽、齿槽各4.5 。 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和
11、齿槽和转子相同。齿宽和齿槽和转子相同。工作原理：工作原理：假设是单三拍通电工作方式。假设是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定子相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对相的五个小齿和转子对齐。此时，齐。此时，B 相和相和 A 相空间差相空间差120120 ，含，含 120 120 /9/9 = = 齿齿 A 相和相和 C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9 = = 个齿。所以，个齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿相的转子、定子的五个小齿对齐时，对齐时，B 相、相、C 相不能对齐，相不能对齐，B相的转子、相的转子、定子相差定子相差 1/3 1/3 个齿（个齿（3
12、3 ），），C相的转子、相的转子、定子相差定子相差2/32/3个齿（个齿（6 6 ）。）。若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲， 。异步机的转动方向仍由相序决定。异步机的转动方向仍由相序决定。同理，同理，C 相通电再转相通电再转3 （2）A 相相断断电电、B 相相通通电电后后，转转子子只只需需转转过过1/3个个 齿（齿（3 ），使），使 B 相转子、定子对齐。相转子、定子对齐。f：电脉冲的频率电脉冲的频率 转速转速 步进机通过一个电脉冲步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度转子转过的角度,称为称为步距角。步距角。m:一个周期的运行拍数一个周期的运行拍
13、数Zr：转子齿数：转子齿数如：如：Zr=40 , m=3 时时步距角步距角10.3 伺服电动机伺服电动机 交流伺服电动机和直流伺服电动机。交流伺服电动机和直流伺服电动机。伺服电动机分类伺服电动机分类： 伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化化。伺服电动机的作用伺服电动机的作用10.3.1 交流伺服电动机交流伺服电动机 原理原理与两相交流异步电机相同，定子上装有两个与两相交流异步电机
14、相同，定子上装有两个绕组绕组 励磁绕组和控制绕组。励磁绕组和控制绕组。励磁绕组和控制绕组在空间相隔励磁绕组和控制绕组在空间相隔90 。控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组转子转子励磁绕组中串联电容励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转的目的是为了产生两相旋转磁场。磁场。接线：接线：励磁绕组的接线励磁绕组的接线放放大大器器控制绕组的接线控制绕组的接线检检测测元元件件控制信号控制信号 适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近相位差接近9090 ，因此便产生旋转磁场，在旋转磁，因此便产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。场的作用下，
15、转子便转动起来。 1例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量关系如图所示。流的相量关系如图所示。励磁绕组的接线励磁绕组的接线放放大大器器控制绕组的接线控制绕组的接线检检测测元元件件控制信号控制信号 工作时两个绕组中产生的电流工作时两个绕组中产生的电流 和和 的相的相位差近位差近90，因此便产生旋转磁场。在旋转磁场因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子转动起来。的作用下，转子转动起来。控制电压控制电压 与与电源电压电源电压 两两者频率相同，相者频率相同，相位相同或反相。位相同或反相。（1）U2= 0 = 0 时，转子停止。时，转子停止
16、。这时，虽然这时，虽然U2 = =0V，U1仍存在，似乎成单仍存在，似乎成单相运行状态，但和单相异步机不同。相运行状态，但和单相异步机不同。若单若单相电机启动运行后，出现单相后仍转。伺相电机启动运行后，出现单相后仍转。伺服电机不同，单相电压时设备不能转。服电机不同，单相电压时设备不能转。交流伺服电动机的特点：交流伺服电动机的特点：原因：原因：交流伺服电机交流伺服电机 R2设计得较大。所以设计得较大。所以在在U2=0时，交流伺服电机的时，交流伺服电机的T=f(s)曲线如下曲线如下页图：页图： 当当U2= =0V时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距的转距T
17、 、T 的合成转矩的合成转矩 T 与单相异步机不同。与单相异步机不同。合成转矩的方向与旋转方向相反，所以电机在合成转矩的方向与旋转方向相反，所以电机在U2=0V时，能立即停止，体现了控制信号的作用时，能立即停止，体现了控制信号的作用( (有控制电有控制电压时转动，无控制电压时不转压时转动，无控制电压时不转) )，以免失控。，以免失控。交流伺服电动机的交流伺服电动机的T=f(s)T=f(s)曲线（曲线（U U2 2=0=0时）时）sT210sTTT021反转反转正转正转（3 3）控制电压）控制电压 U2 大小变化时，转子转速相应变大小变化时，转子转速相应变化，转速与电压化，转速与电压 U2 成正
18、比。成正比。U2 的极性改变的极性改变时，转子的转向改变。时，转子的转向改变。（2）交流伺服电机交流伺服电机 R2设计得较大，使设计得较大，使Sm1，Tst大，大，启动迅速，稳定运行范围大。启动迅速，稳定运行范围大。交流伺服电动机的机械特性曲线交流伺服电动机的机械特性曲线( U1=const )nTU20.8 U20.6 U20.4 U2Tn 交流伺服电机的输出功率一般为交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电，电源频率分源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，等多种。它的应用很广泛，如用在自动控制、温度自动记录等系统中。如用在自动控制、温度自动记录等系统中。应用应用10
19、.3.2 直流伺服电动机直流伺服电动机结构：结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。得细长一些。工作原理：工作原理：与直流电动机相同。与直流电动机相同。供电方式：供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：源供电：MU1IfIaU2放放大大器器UU1为励磁电压，为励磁电压，U2为电枢电压。为电枢电压。由机械特性可知：由机械特性可知：(1)U1（即磁通（即磁通 ）不变时，一定的负载下，）不变时，一定的负载下，U2 ,n 。(2)U2=0时，电机立即停转。时，电机立即停转。反转：反转：电枢电压的极性改变，电机反转。电枢电压的极性改变，电机反转。直流伺服电机的机械特直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机性公式与他励直流电机一样：一样：机械特性曲线机械特性曲线U20.8U20.6U20.4U2nT 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为1-600W。它的用途很多，如随动系统中的位置控。它的用途很多，如随动系统中的位置控制等。制等。应用：应用：
